李 剛

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006）

引言

掘進(jìn)機(jī)是對(duì)煤礦進(jìn)行巷道開(kāi)采的主要設(shè)備，由于我國(guó)煤炭的開(kāi)采量較大，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用較多。掘進(jìn)機(jī)在工作過(guò)程中，其振動(dòng)是引起故障的主要原因，這是由于掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于礦井下煤層的分布不均[1]，礦井中巖石的含量不同，造成截割頭受到的外部載荷較為復(fù)雜，且由于自身減速器的誤差及嚙合產(chǎn)生的激振力，造成截割頭受到綜合的非線性載荷，引起掘進(jìn)機(jī)的振動(dòng)[2]。針對(duì)掘進(jìn)機(jī)截齒在工作過(guò)程中受到的截割阻力進(jìn)行分析，采用非線性的動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)橫截及鉆進(jìn)兩種不同工況下的截割阻力進(jìn)行仿真分析，從而對(duì)掘進(jìn)機(jī)的振動(dòng)研究提供基礎(chǔ)，盡量減小掘進(jìn)機(jī)的振動(dòng)，提高掘進(jìn)機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

1 掘進(jìn)機(jī)截齒兩種典型工況分析模型的建立

掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行煤巖截割的過(guò)程即截齒進(jìn)行煤巖的截割，截齒不僅受到煤巖對(duì)截齒的反作用力，同時(shí)由于截割頭的旋轉(zhuǎn)及進(jìn)給，還受到摩擦力的作用，截齒受到的作用力可以分為沿截割方向的截割阻力，沿進(jìn)給方向的牽引阻力，沿截齒側(cè)向的側(cè)向力，截割頭受到的作用力即為所有截齒作用力的合力[3]。

掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)的過(guò)程中，依據(jù)截割頭進(jìn)給的方向不同，可以分為橫截及鉆進(jìn)兩種工況，對(duì)截割的過(guò)程進(jìn)行仿真模型的建立。首先建立兩種工況的幾何模型，在建模過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，僅保留截割頭的輪廓及截齒，對(duì)兩種典型工況分別進(jìn)行建模，得到截齒兩種工況下的截割幾何模型如圖1 所示。

圖1 兩種典型工況幾何模型

利用分析軟件，可對(duì)截割頭及煤巖的性質(zhì)進(jìn)行定義。采用實(shí)體單元進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分，選擇自由網(wǎng)格劃分的，對(duì)橫截工況的煤巖采用掃掠網(wǎng)格劃分，對(duì)鉆進(jìn)工況的煤巖采用自由網(wǎng)格劃分[4]，可以得到兩種工況的截齒截割有限元模型如圖2 所示。

圖2 兩種典型工況有限元模型

對(duì)所建立的模型進(jìn)行材料的設(shè)定，截齒及截割頭作為剛性體，且主要分析截齒所受到的載荷，其變形可以忽略，采用一定的剛體材料。根據(jù)煤層中的巖石及相關(guān)材料，煤層占比約為10%～20%，其余為砂巖層，由于煤層的組成較為復(fù)雜，在軟件的材料庫(kù)中選擇與巖層性質(zhì)相近的材料[5]。截齒在截割過(guò)程中，受到煤巖的擠壓及剪切作用，設(shè)定接觸池與煤巖的接觸類型為侵蝕接觸，截齒為接觸面，煤巖為目標(biāo)面，所接觸煤巖的外部單元失效后，剩下的單元仍然作為接觸單元。完成對(duì)截齒截割模型的建立及設(shè)定，即可對(duì)兩種典型工況下的載荷作用進(jìn)行分析。

2 掘進(jìn)機(jī)截齒典型工況截割阻力的仿真分析

2.1 橫截工況載荷仿真

對(duì)截割頭的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，橫截工況時(shí)，設(shè)定截割頭的旋轉(zhuǎn)速度為42 r/min，進(jìn)給速度為0.03 m/s。時(shí)間步長(zhǎng)的控制可以對(duì)仿真的質(zhì)量縮放及時(shí)間步長(zhǎng)因子進(jìn)行控制，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)因子為0.7，由此對(duì)橫截時(shí)截齒的載荷作用進(jìn)行分析。對(duì)仿真模擬的結(jié)果進(jìn)行后處理分析，設(shè)置求解時(shí)間為10 s，可以得到如圖3 所示的截割頭受到的三向作用力隨時(shí)間的變化曲線，其中Fx表示截割頭受到的牽引阻力，F(xiàn)y表示截割頭受到的側(cè)向阻力，F(xiàn)z表示截割頭受到的截割阻力。

圖3 橫截工況截割頭的受力變化曲線

2.2 鉆進(jìn)工況載荷仿真

對(duì)截割頭的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，鉆進(jìn)工況時(shí)，設(shè)定截割頭的旋轉(zhuǎn)速度為42 r/min，進(jìn)給速度為0.02 m/s。設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)因子為0.7，對(duì)鉆進(jìn)時(shí)截齒的載荷作用進(jìn)行分析。對(duì)仿真模擬的結(jié)果進(jìn)行后處理分析，設(shè)置求解時(shí)間為20 s，可以得到如圖4 所示的截割頭受到的三向作用力隨時(shí)間的變化曲線，其中Fx表示截割頭受到的牽引阻力，F(xiàn)y表示截割頭受到的側(cè)向阻力，F(xiàn)z表示截割頭受到的截割阻力。

從圖3、圖4 中可以看出，在兩種不同的工況下，截割頭所受到的三向力變化呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性，沒(méi)有確定的規(guī)律變化；在三種分力中，所受到的牽引阻力最大，側(cè)向阻力及截割阻力次之；在三向力變化的過(guò)程中，隨機(jī)地出現(xiàn)一些數(shù)值較大的載荷，造成截割頭受到?jīng)_擊作用，從而引起截割頭的振動(dòng)，所受到的載荷越大，則越容易引起振動(dòng)。在仿真過(guò)程中，設(shè)定的煤巖為單一材質(zhì)，而實(shí)際進(jìn)行截割時(shí)，煤層的巖層變化不一，掘進(jìn)機(jī)截割頭受到的沖擊更加復(fù)雜，截割頭的振動(dòng)比較強(qiáng)烈。在實(shí)際進(jìn)行截割過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮煤巖的性質(zhì)，選擇合理的工況進(jìn)行煤巖的截割。

圖4 鉆進(jìn)工況截割頭的受力變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

掘進(jìn)機(jī)是進(jìn)行煤礦開(kāi)采巷道掘進(jìn)的重要設(shè)備，掘進(jìn)機(jī)在使用過(guò)程中的振動(dòng)較強(qiáng)，容易引起掘進(jìn)機(jī)的故障。截齒作為直接進(jìn)行煤巖截割的部件，在截割過(guò)程中受到煤巖的阻力及摩擦力作用引起截割頭的振動(dòng)。針對(duì)橫截和鉆進(jìn)兩種典型工況下截齒的受力變化進(jìn)行建模仿真分析，結(jié)果表明，在兩種不同的工況下，截割頭受到的三向作用力變化具有一定的隨機(jī)性，在三種作用力中，牽引阻力最大，側(cè)向阻力和截割阻力次之。三者之間隨機(jī)的出現(xiàn)沖擊作用，引起截割頭的振動(dòng)，在進(jìn)行掘進(jìn)的過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮煤巖的性質(zhì)，選擇合理的工況進(jìn)行煤巖的截割，減少截割頭的振動(dòng)，提高掘進(jìn)機(jī)的可靠性，為煤礦的開(kāi)采提供穩(wěn)定的掘進(jìn)作業(yè)，提高煤礦的開(kāi)采效率。